ma physique

((((TT
TTRR RROO OOIIII SS SSIIII EE EEMM MMEE EE EE EEDD DDIIII TT TTIIII OO OONN NN))))
VV
VVoo oollll uu uumm mmee ee 22 22::::
PP
PPaa aarr rrttttiiii ee ee IIII IIII IIII -- -- EE EELL LLEE EECC CCTT TTRR RROO OOMM MMAA AAGG GGNN NNEE EETT TTIIII SS SSMM MMEE EE
PP
PPaa aarr rrttttiiii ee ee IIII VV VV -- -- PP PPHH HHYY YYSS SSIIII QQ QQUU UUEE EE DD DDUU UU MM MMOO OONN NNDD DDEE EE
MM
MMIIII CC CCRR RROO OOSS SSCC CCOO OOPP PPIIII QQ QQUU UUEE EE
GG
GGiiii oo oorr rrgg ggiiii oo oo
MM
MMaa aarr rrgg ggaa aarr rriiii ttttoo oonn nndd ddoo oo
GG
GGiiii oo oorr rrgg ggiiii oo oo
MM
MMaa aarr rrgg ggaa aarr rriiii ttttoo oonn nndd ddoo oo
MM
MMAA AA PP PPHH HHYY YYSS SSIIII QQ QQUU UUEE EE
MM
MMAA AA PP PPHH HHYY YYSS SSIIII QQ QQUU UUEE EE
((((TT
TTRR RROO OOIIII SS SSIIII EE EEMM MMEE EE EE EEDD DDIIII TT TTIIII OO OONN NN))))

“Ma Physique”
Troisième partie:
Electromagnétisme
et optique

Giorgio Margaritondo: Ma Physique 226
Table des matières Page
XL. Le début de l’électromagnétisme 228
XL.1. La nécessité des forces électromagnétiques 228
XL.2. Une petite note pour les philosophes. 229
XL.3. Les épouvantables dimensions de l’équilibre 231
XLI. L’idée de champ 234
XLII. La loi de Gauss 239
XLII.1. La forme locale de la loi de Gauss 242
XLIII. La théorie de l’électrostatique et le potentiel 251
XLIII.1. Le potentiel électrostatique 253
XLIII.2. Relation potentiel-champ: équations de Poisson et de Laplace 254
XLIII.3. Enfin, un peu de saine pratique 255
XLIV. Electrostatique des conducteurs: les condensateurs 259
XLIV.1. Les cavités conductrices 261
XLIV.2. Condensateurs 262
XLIV.3. Condensateurs en série et condensateurs en parallèle 264
XLIV.4. Energie du champ électrostatique 264
XLV. Les courants stationnaires 267
XLV.1. L’effet Joule 270
XLV.2. Résistances en série et en parallèle 270
XLV.3. Force électromotrice 271
XLV.4. Equation de continuité 272
XLV.5. Lois de Kirchhoff 273
XLVI. La magnétostatique: force de Lorentz 276
XLVI.1. La relativité révèle le secret bien caché du champ magnétique 277
XLVI.2. Les lois de la magnétostatique: formes non-locales 279
XLVI.3. Les lois de la magnétostatique: formes locales 281
XLVI.4. Le champ magnétique d’un courant stationnaire sur un fil droit 282
XLVI.5. Spires et solénoïdes 282
XLVI.6. Equivalence spire-aimant 288
XLVII. Les phénomènes d’induction 292
XLVII.1. La loi de l’induction: s’agit-il réellement d’une nouveauté?
Loi de Lenz 293
XLVII.2. La loi de l’induction: forme locale, alternateurs 294
XLVII.3. Induction mutuelle et self-induction 296
XLVII.4. L’énergie emmagasinée par un champ magnétique 298
XLVII.5. Le transformateur 300
XLVIII. Les circuits électriques 303
XLVIII.1. Les courants et les tensions sinusoïdaux:
pourquoi sont-ils importants? 305
XLVIII.2. Les instruments mathématiques les plus efficaces 307
XLVIII.3. Les impédances 310
XLVIII.4. Le circuit RLC série 312
XLVIII.5. La puissance dissipée 314
XLVIII.6. La tension triphasée 314
XLVIII.7. Quelques mots sur le concept de réponse
d'un système physique 315
XLIX. Le champ électrique dans la matière 318
XLIX.1. Susceptibilité et constante diélectrique relative 320
XLIX.2. Vecteur déplacement électrique 321
XLIX.3. Changements de E et de D aux interfaces:
mesure de E dans les diélectriques 322
XLIX.4. Les mécanismes microscopiques de la polarisation 325
L. Le magnétisme dans la matière 329
L.1. Les lois du magnétisme dans la matière et le champ
magnétique H331
L.2. Changements de B et de H aux interfaces: mesures dans
les matériaux 331

Giorgio Margaritondo: Ma Physique 227
L.3. Le magnétisme dans la matière: analyse microscopique 332
L.4. Le ferromagnétisme 336
L.4.1. Hystérèse magnétique 337
L.4.2. Domaines ferromagnétiques 340
LI. Les ondes électromagnétiques 343
LI.1. Le courant de déplacement 344
LI.2. Les équations de Maxwell 346
LI.3. Les équations des ondes électromagnétiques et leur propriétés 347
LI.4. Interprétation physique: la propagation d’énergie 352
LI.5. La quantité de mouvement des ondes électromagnétiques 354
LI.5.1. La pression du rayonnement 355
Appendice: le corps noir et la physique quantique 356
LII. Ondes sinusoïdales: fréquence, longueur d’onde,
spectre électromagnétique 359
LII.1. Le spectre des ondes électromagnétiques 360
LII.2. Ondes planes et ondes sphériques 361
LIII. Interférence et diffraction 364
LIII.1. Le “principe” de Huyghens et Fresnel 364
LIII.2. Interférence de deux fentes 365
LIII.3. La diffraction causée par une fente: la cohérence 368
LIII.4. Les réseaux de diffraction 371
LIV. Réflexions sur la vitesse de la lumière 376
LIV.1. La mesure de la vitesse de la lumière 376
LIV.2. La lumière et la relativité 377
LIV.2.1. L’effet Doppler relativiste pour les
ondes électromagnétiques 378
LIV.2.2. L’effet Doppler des ondes non-relativistes 379
LIV.2.3. L’onde de “choc” 380
LIV.3. Vitesse de phase et vitesse de groupe 381
LIV.3.1. Les battements 383
LIV.3.2. La vitesse de groupe 384
LV. Réfraction, dispersion et réflexion; “principe” de Fermat 387
LV.1. La réflexion 389
LV.2. Le “principe” de Fermat 390
LVI. Les équations de Fresnel et la polarisation de la lumière 393
LVI.1. La polarisation 395
LVI.1. 1. Les polariseurs 397
LVI.1.1.1. La biréfringence 398
LVII. Optique géométrique 402
LVII.1. Les miroirs sphériques: images réelles et virtuelles,
grandissement 402
LVII.2. Réfraction par une superficie sphérique 406
LVII.3. Les lentilles minces 409
LVII.4. Les aberrations 410
LVII.5. L’oeil 411
LVII.6. Le microscope 412
LVII.7. Le télescope astronomique 414
LVIII. Interaction de la lumière avec la matière 416
LVIII.1. Emission 416
LVIII.2. Emission par un dipôle oscillant 418
LVIII.3. L’absorption, la diffusion et la loi de Rayleigh 419
LVIII.4. Le coefficient d’absorption 421
LIX. Autres types de phénomènes ondulatoires 424
LIX.1. Ondes longitudinales 424
LIX.2. Ondes acoustiques: équation de Newton 426
LIX.3. Notions pratiques d'acoustique 427
LIX.3.1. La fréquence des ondes acoustiques 428
LIX.3.2. Les limites d'audibilité 431

Giorgio Margaritondo: Ma Physique 228
XL. Le début de l’électromagnétisme
Arrivés au terme de notre discussion sur la physique statistique des systèmes réels,
nous sommes maintenant prêts à passer à la deuxième partie du cours de physique:
celle qui s’occupe de l’électromagnétisme. Puisque nous devrons travailler beaucoup
pour arriver à maîtriser l’électromagnétisme, essayons d'abord de comprendre
l’importance de cette branche de la science.
La mécanique nous a donné les moyens de comprendre la relation entre les forces et le
comportement de systèmes simples tels que les masses ponctuelles. La physique
statistique et la thermodynamique nous ont expliqué cette même relation pour des
systèmes compliqués tels que les gaz et les solides réels. On parle donc toujours de
forces et de leurs effets.
Mais en fait, quelles sont les forces en action dans notre univers? Après plusieurs siècles
de progrès, qui a conduit à quelques résultats fondamentaux au cours des vingt années
dernières, la physique est en mesure de traiter tous les phénomènes connus en faisant
intervenir trois types de forces seulement:
• Les forces de gravitation entre les masses,
• Les forces nucléaires “fortes”,
• Les forces unifiées électromagnétiques et nucléaires “faibles”.
Ce dernier groupe comprend deux types de forces, dont le caractère commun a été
récemment démontré par le travail d’importance historique de l’équipe de M. Carlo
Rubbia au CERN à Genève. Il comprend, en particulier, tous les phénomènes de type
électrique et magnétique.
La plupart des systèmes d’importance technologique sont gouvernés par les forces
électromagnétiques. Elles donnent, par exemple, deux catégories d’effets qui forment la
base de la technologie moderne:
• L’existence des atomes et des liaisons chimiques entre les atomes;
• L’existence des ondes électromagnétiques, qui comprennent une grande série de
phénomènes fondamentaux tels que la lumière, les ondes radio, les rayons x,
ultraviolets et infrarouges, etc.
Notre programme d’électromagnétisme comprend deux parties: la première est
consacrée à la clarification des règles qui gouvernent les forces électromagnétiques et
leur manière de fonctionner. Cette partie sera terminée lorsque nous arriverons à
comprendre les cinq équations qui résument tout l’électromagnétisme: les quatre
équations de Maxwell et la loi de Lorentz.
La deuxième partie utilisera ces mêmes équations pour en dériver l’existence des ondes
électromagnétiques et de leurs propriétés, et arriver ensuite à des applications
pratiques, par exemple à l’optique.
XL.1. La nécessité des forces électromagnétiques
L’existence même de systèmes stables tels que les atomes, les molécules et les solides
nous révèle l'une des propriétés fondamentales des forces électromagnétiques: elle